La química: concepto, materia, características, fundamentos, teoría en general.

1. Tema 1 – Introducción
1. Conceptos de química, materia, elemento y compuesto químico.
1. Propiedades de los elementos.
2. Descubrimiento del electrón
3. Descubrimiento del protón y el neutrón
2. Estructura atómica
1. Número atómico y número másico
2. Iones e isótopos
3. Convenciones para masas atómicas y moleculares.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 1

2. ¿Qué es la Química?
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 2

3. La Química
• La Química es el estudio
de la Materia y los
cambios que ocurren en
ella (Raymond Chang)
• La Química es la ciencia
que trata de la composición
y propiedades de la materia
(R. Petrucci)
Huàxué
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 3

4. Propiedades Físicas
• Las propiedades físicas de una sustancia son las
características que se pueden observar o medir sin
cambiar la identidad de la sustancia. Por ejemplo, la
expansión de un gas.
Propiedades Químicas
• Las propiedades químicas se
refieren a la capacidad de una
sustancia para transformarse
en otra. Por ejemplo, una
combustión.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 4

5. La Química
Imagen de http://iomquimica3tercero.blogspot.com.es/
ALL
YOU
NEED
IS…
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 5

6. La Química
…CHEMISTRY?
http://blog.yaninapatricio.com/la-foto-famosa-de-albert-einstein-tiene-explicacion/
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 6

7. La Química
-Espectros
-Radiación
-Partículas subatómicas
-Orbitales
-Ecuaciones químicas
-Interacciones moleculares
-Cinética
-Química teórica
-Etc ….
QUÍMICA ORGÁNICA E INORGÁNICA
(aspectos macroscópicos)
-Detergentes
-Productos de limpieza
-Combustión
-Bioquímica
-Fertilizantes
-Polímeros
-Tintes
-Revelado fotográfico
-Baterías
-Mantenimiento de piscinas
-Reactivos
-Medicamentos
-Radioquímica
-Etc ….
QUÍMICA FÍSICA
(aspectos microscópicos)
QUÍMICA
QUÍMICA ANALÍTICA
(detección y análisis)
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 7

8. La Química:
Una Ciencia a dos niveles
• El Nivel Macroscópico: Las propiedades observables
de la materia
Lo que percibimos
• El Nivel Microscópico: La estructura atómica de la
materia
Organización atómica
y molecular
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 8

9. La Química
QUÍMICA CONVENCIONAL
Se produce por transferencias electrónicas a nivel de las
capas exteriores de la corteza
¡Para entender la química, es necesario conocer la estructura atómica!
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 9

10. La Materia
• RAE: Del Lat. Materia 1. f. Realidad espacial, y
perceptible por los sentidos, de la que están hechas
las cosas que nos rodean y que, con la energía,
constituye el mundo físico.
Básicamente cualquier cosa
que tenga masa y ocupe
espacio.
• Sustancia: cantidad de
materia homogénea cuya
composición es fija y
químicamente definida.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 10

11. Estados de la Materia
• Un sólido es una forma rígida de la materia.
• Un líquido es una forma fluida de la materia que
tiene la capacidad de adoptar la forma de la parte
del recipiente que ocupa.
• Un gas es una forma fluida de la materia que llena
completamente cualquier recipiente que lo
contenga.
• Un plasma es un estado fluido similar al estado
gaseoso pero en el que determinada proporción de
sus partículas están cargadas eléctricamente. Es el
estado más frecuente en el Universo.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 11

12. Estados de la Materia en la Tierra
Número más o menos
constante de interacciones
electrónicas fuertes
Interacciones electrostáticas
débiles entre las partículas
¡Fuerte dependencia con la presión y la temperatura!
Ordenación de las
Interacciones débiles o
interacciones fuertes
muy fluctuantes
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 12

13. Tema 0: La Química
Química General I 13
Estados de la Materia en la Tierra
¡Fuerte dependencia con la presión y la temperatura!
Cmglee - Own work
Diagrama de fases del agua
Tema 1 – Introducción

14. Clasificación de la Materia
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 14

15. Entonces,
¿cómo está formada la Materia?
• La materia está formada por átomos, iguales o
diferentes en cualesquiera proporciones.
• Las sustancias están formadas por átomos, iguales o
diferentes, en una proporción definida.
• Los elementos son sustancias que sólo tienen un tipo
de átomos. Por ahora, conocemos 118 elementos,
muchos de ellos no naturales.
• Los compuestos químicos están formados por
entidades iguales de agrupaciones de átomos
diferentes (moléculas discretas o redes atómicas).
Por tanto,
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 15

16. ¿Por qué elementos principales está
formada la materia en la Tierra?
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 16

17. Los 118 elementos
Cada elemento se representa por un símbolo, y se
ordenan por orden creciente de su número atómico
agrupados según su configuración electrónica (grupos).
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 17

18. Y las Propiedades,
¿de qué dependen?
De la naturaleza de los átomos
Sodio (Na) Cloro (Cl2)
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 18

19. Y las Propiedades,
¿de qué dependen?
¿Sólo de la naturaleza de los átomos?
Carbono puro
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 19

20. Y las Propiedades,
¿de qué dependen?
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 20

21. Y las Propiedades,
¿de qué dependen?
Diamante Grafito
154 pm
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 21

22. Y las Propiedades,
¿de qué dependen?
¡¡¡También de cómo se unen y combinan!!!
ENLACE QUÍMICO
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 22

23. Conclusión:
¿Cómo está formada la Materia?
• Por átomos, que se unen para formar elementos, que
se combinan para formar moléculas, que interaccionan
formando sustancias, que se mezclan para formar
mezclas complejas…..
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 23

24. ¿Por qué se unen los átomos
unos a otros?
Gilbert N. Lewis (1916): Los
átomos se combinan para
alcanzar una configuración
electrónica más estable.
MÁXIMA ESTABILIDAD
Configuración electrónica de
gas noble sin electrones
desapareados
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 24

25. Configuración electrónica y reactividad
Química = electrones
s2p6
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 25

26. Pero … ¿qué es un átomo?
• Leyes ponderales y volumétricas: Desde finales del siglo XVIII (Lavoisier y
Richter) y principios del XIX (Proust, Dalton y Gay-Lussac) se establecieron los
principios de la combinación entre diferentes elementos. Durante el resto del
siglo XIX existe una evolución de la química frenética.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 26

27. Pero … ¿qué es un átomo?
AgNO3
• Leyes ponderales y volumétricas: Desde finales del siglo XVIII (Lavoisier y
Richter) y principios del XIX (Proust, Dalton y Gay-Lussac) se establecieron los
principios de la combinación entre diferentes elementos. Durante el resto del
siglo XIX existe una evolución de la química frenética.
Ley de la conservación de la masa
K2CrO4
Ag2CrO4
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 27

28. Pero … ¿qué es un átomo?
• Leyes ponderales y volumétricas: Desde finales del siglo XVIII (Lavoisier y
Richter) y principios del XIX (Proust, Dalton y Gay-Lussac) se establecieron los
principios de la combinación entre diferentes elementos. Durante el resto del
siglo XIX existe una evolución de la química frenética.
Ley de las proporciones múltiples (Dalton)
2
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 28

29. Química General I 29
Pero … ¿qué es un átomo?
Tema 1 – Introducción
• Leyes ponderales y volumétricas: Desde finales del siglo XVIII (Lavoisier y
Richter) y principios del XIX (Proust, Dalton y Gay-Lussac) se establecieron los
principios de la combinación entre diferentes elementos. Durante el resto del
siglo XIX existe una evolución de la química frenética.
Teoría atómica de Dalton
1. Cada elemento se compone de pequeñas partículas
llamadas átomos. En las reacciones químicas, los
átomos ni se crean ni se destruyen.
2. Todos los átomos de un elemento son idénticos y
distintos de todos los demás elementos.
3. Los compuestos se forman cuando átomos de más
de un elemento se combinan en proporciones
numéricas sencillas, pudiendo formar más de un
compuesto en proporciones diferentes.
Tema 0: La Química
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_New_System_of_Chemical_Philosophy_fp.jpg

30. Pero … ¿qué es un átomo?
• Leyes ponderales y volumétricas: Desde finales del siglo XVIII (Lavoisier y
Richter) y principios del XIX (Proust, Dalton y Gay-Lussac) se establecieron los
principios de la combinación entre diferentes elementos. Durante el resto del
siglo XIX existe una evolución de la química frenética.
• 1869-1870: Un gran avance fue el de Mendeléev y Meyer al descubrir la
ordenación de los elementos en la Tabla Periódica según sus pesos atómicos y
propiedades químicas, lo que permitió aventurar la existencia de elementos
aún desconocidos.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 30

31. Pero … ¿qué es un átomo?
• Leyes ponderales y volumétricas: Desde finales del siglo XVIII (Lavoisier y
Richter) y principios del XIX (Proust, Dalton y Gay-Lussac) se establecieron los
principios de la combinación entre diferentes elementos. Durante el resto del
siglo XIX existe una evolución de la química frenética.
• 1869-1870: Un gran avance fue el de Mendeléev y Meyer al descubrir la
ordenación de los elementos en la Tabla Periódica según sus pesos atómicos y
propiedades químicas, lo que permitió aventurar la existencia de elementos
aún desconocidos.
• Descubrimiento del electrón: Pero seguía sin entenderse la naturaleza de los
átomos, tenidos (como su propio nombre indica) por indivisibles. Es gracias a
los físicos, ya en las inmediaciones del siglo XX, cuando empiezan a proliferar
multitud de experimentos y teorías que terminan fijando la estructura
esencial de los átomos. Los rayos X fueron descubiertos por Röntgen en 1895,
como una radiación generada por los rayos catódicos al chocar contra ciertas
superficies. En 1897, Thomson descubre el electrón (corpúsculo) como
constituyentes esenciales de los rayos catódicos fijando su naturaleza eléctrica
negativa.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 31

32. El descubrimiento de los rayos-X, por Roentgen le valió el premio Nobel de física en 1901. Se
dio cuenta de que estos rayos atravesaban el papel, la madera y el aluminio, pero no el plomo.
De hecho, vio los huesos de su manos al comprobar si atravesaban el plomo sujetando un aro
de este metal con la mano. La primera ‘radiografía’ propiamente dicha la hizo con la mano de
su mujer y la técnica tuvo aplicaciones médicas inmediatas.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 32
Pero … ¿qué es un átomo?
Descubrimiento de los rayos-X

33. 1856-1940
J.J. Thomson, measured mass/charge of e- (1906 Nobel Prize in Physics)
Pero … ¿qué es un átomo?
Descubrimiento del electrón
(−)
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 33
(+)

34. Pero … ¿qué es un átomo?
El modelo de Thomson: el pudin de pasas
En 1904, Thomson postuló que los electrones se distribuían uniformemente
incrustados en el interior del átomo, considerado como una nube esférica con
carga positiva.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 34

35. Measured mass of e-
(1923 Nobel Prize in Physics)
Pero … ¿qué es un átomo?
Determinando la masa del electrón
En 1913, Mullikan publicó sus experiencias mejoradas sobre el cálculo de la
carga (y, por tanto, la masa) del electrón al determinar que la carga de una
gota de aceite suspendida en un campo eléctrico era siempre múltiplo de un
mismo valor.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 35

36. • 1913: Mosely establece una ley empírica entre los Rayos X emitidos
por los elementos y su número atómico (Z).
• 1919: Rutherford demuestra inequívocamente la presencia de
partículas positivas en el núcleo al bombardear elementos con
partículas alfa y transmutarlos en otros, y en 1920 predice la
existencia de partículas neutras para estabilizar el núcleo.
Pero … ¿qué es un átomo?
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 36

37. Premio Nobel de Química 1908
De ahí propuso su modelo atómico, que
sería perfeccionado dos años más tarde
(1913) por Böhr:
1. La masa y la carga positiva están
concentradas en un núcleo central.
2.Los electrones, en igual número y con
carga opuesta, giran alrededor del núcleo
a grandes distancias.
Los problemas principales del modelo son
cómo mantener un núcleo de cargas
positivas y cómo mantener electrones
girando sin pérdida de energía.
Pero … ¿qué es un átomo?
El modelo atómico de Rutherford
Basado en el modelo de Thompson, Rutherford en 1911
bombardeó una fina lámina de oro con partículas alfa,
esperando que estas atravesasen la lámina sin mayor
problema.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 37

38. • 1913: Mosely establece una ley empírica entre los Rayos X emitidos
por los elementos y su número atómico (Z).
• 1919: Rutherford demuestra inequívocamente la presencia de
partículas positivas en el núcleo al bombardear elementos con
partículas alfa y transmutarlos en otros, y en 1920 predice la
existencia de partículas neutras para estabilizar el núcleo.
• 1932: Chadwick descubre finalmente los neutrones, pensando al
principio que eran una especie de dipolo protón-electrón.
Experimentos posteriores descartaron esta hipótesis, terminando así
el descubrimiento de las llamadas partículas subatómicas, creídas
entonces como elementales.
Pero … ¿qué es un átomo?
Es la partícula más pequeña y representativa de
un elemento que puede tener actividad química.
Átomo
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 38

39. Pero … ¿qué es un átomo?
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 39
Descubrimiento del neutrón: James Chadwick
(1932)
Premio Nobel de física 1935
Átomo de He
 + 9Be 1n + 12C + energy
Pero por entonces no se conocía la masa del
Be, por lo que usó B para confirmar la masa
del neutrón:
 + 11B 1n + 14N + energy
neutron (n) is neutral (charge = 0)
n mass ~ p mass = 1.67 x 10-24 g

40. Propiedades de las tres partículas subatómicas
fundamentales
Pero … ¿qué es un átomo?
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 40

41. Tema 0: La Química
Química General I 41
Estructura atómica
Las diferentes teorías (con el permiso de Demócrito) que durante el siglo XIX y XX se
sucedieron para dar explicación a las observaciones experimentales (Dalton, Thomson,
Rutherford, Böhr o Sommerfeld), han llevado a la aceptación de un modelo basado en la
concepción atómica de un núcleo, donde reside prácticamente la totalidad de la masa
atómica, formado por protones (de carga positiva) y neutrones (carga neutra) [excepto el
protio que solo tiene un protón], y una corteza, formada por electrones (de carga negativa)
que ‘giran’ a cierta distancia del núcleo posicionados en diferentes niveles de energía
denominados orbitales.
−
Átomo de hidrógeno
(protio)
NÚCLEO
Formado por los nucleones (protones y neutrones)
Está concentrada la carga + y casi toda la masa CORTEZA
Formada por los electrones
Está concentrada la carga −
ELECTRÓN
+
PROTÓN
mp = 1837 × me
¡OJO! La masa del electrón no es tan pequeña. En
este caso sería como comparar una aspirina con un
cartón de leche. Y el sol es 330000 veces más pesado
que la Tierra: sería como el núcleo del Ta (Z=76). Tema 1 – Introducción

42. Tema 0: La Química
Química General I 42
Estructura atómica
La naturaleza de un elemento en particular viene caracterizada por el número de protones del
núcleo, denominado número atómico (Z) que, en un elemento neutro coincide con el número
de electrones de la corteza. Por otro lado, el número de nucleones viene representado por el
número másico (A). Los isótopos surgen de tener más o menos neutrones (N) en el núcleo y
estas variaciones en el número másico no pueden conseguirse por vía química, sino a través
de reacciones nucleares.
−
2
Átomo de 4𝐻𝑒
NUCLEONES
ELECTRÓN
−
ELECTRÓN
Los iones surgen de tener más (aniones) o
menos (cationes) electrones que protones y
pueden conseguirse por vía química.
Si el átomo de helio perdiese un electrón
seguiría siendo He, pero cargado
positivamente: He+, lo que le haría tener la
misma configuración electrónica que el
átomo de hidrógeno (son isoelectrónicos).
++
En un átomo neutro
P+ = e−
NEUTRONES (sin carga)
PROTONES
A = Z + N
Tema 1 – Introducción

43. Isótopos Símbolo Masa Nominal Masa Exacta Abundancia
Hidrógeno
H
D ó 2
H
1
2
1.00783
2.01410
99.99
0.01
Carbono
12
C
13
C
12
13
12.0000
13.0034
98.91
1.09
Nitrógeno
14
N
15
N
14
15
14.0031
15.0001
99.6
0.37
Oxígeno
16
O
17
O
18
O
16
17
18
15.9949
16.9991
17.9992
99.76
0.037
0.20
Flúor F 19 18.9984
100
Silicio
28
Si
29
Si
30
Si
28
29
30
27.9769
28.9765
29.9738
92.28
4.70
3.02
Fósforo P 31 30.9738 100
Azufre
32
S
33
S
34
S
32
33
34
31.9721
32.9715
33.9679
95.02
0.74
4.22
Cloro
35
Cl
37
Cl
35
37
34.9689
36.9659
75.77
24.23
Bromo
79
Br
81
Br
79
81
78.9183
80.9163
50.5
49.5
Yodo I 127 126.9045
100
Estructura atómica
Peso atómico hidrógeno:
1.00783 × 0.9999 + 2.01410 × 0.0001 = 1.00793 (IUPAC 2016: 1.00784-1.00811)
Estables Inestable
Tema 0: La Química
Química General I 43
209
Se conocen hasta 21 elementos
con un único isótopo representativo,
del estaño hasta 10 isótopos, todos
ellos estables. A partir del 83𝐵𝑖,
todos los elementos presentan todos
sus isótopos radiactivos.

44. Estructura atómica
Isótopos
Tema 0: La Química
Química General I 44
https://www.degruyter.com/view/j/pac.2016.88.issue-3/pac-2015-0305/pac-2015-0305.xml

45. Estructura atómica
La masa atómica de un elemento es la masa de un átomo y, por tanto,
correspondiente a un solo isótopo. Se expresa en unidades de masa atómica
unificada (u), o Daltons (Da), definida como la doceava parte (1/12) de la
masa de un átomo neutro y no enlazado de carbono-12 (cuyo núcleo contiene
6 protones y 6 neutrones), en su estado fundamental eléctrico y nuclear, y su
valor recomendado es el de 1,660539 × 10−27 Kg. La masa isotópica relativa
no tiene unidades, y coincide con el valor numérico de la masa atómica.
Peso atómico o masa atómica relativa, sin embargo, es la media ponderada de
las masas atómicas (también sin dimensiones) de un elemento de una muestra
en particular según su composición isotópica. Eso tiene varias implicaciones:
1) No coincide con la masa atómica
2) Tiene en cuenta la abundancia isotópica del elemento en cuestión
3) El peso atómico entre muestras tomadas en diferentes lugares puede variar
De ahí que la IUPAC publique los llamados pesos atómicos estándar, que
corresponden a una media de diferentes muestras de la corteza terrestre e
incluso de la atmósfera si el elemento en cuestión se encuentra en ella.
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 45

46. Estructura atómica
Masa molecular relativa o peso molecular de una sustancia se refiere a la masa
de una molécula en particular, considerando unos isótopos, y tampoco tiene
unidades. Se calcula, por tanto, a partir de las masas atómicas de lo átomos
constituyentes. Con unidades (u o Da) tenemos la masa molecular (m). La masa
molar (M) de una sustancia (elemento o compuesto químico), en cambio, tiene
unidades g/mol por razones históricas (en el SI debería tener unidades de
Kg/mol) y se calcula sumando los pesos atómicos estándar, por lo que tiene en
cuenta la abundancia isotópica ponderada. Normalmente, la masa molar y el
peso molecular se suelen calcular de igual forma, a partir de los pesos atómicos
estándar, por lo que coinciden numéricamente.
CUESTIONES
¿Por qué el peso atómico del hidrógeno es 1,008 (y no 1, al contener solo un protón) y
el del carbono es 12,011 (y no 12)?
¿Cuál es el masa molecular del metano? ¿Y su masa molar?
1 mol de sustancia, la cantidad correspondiente a su masa molar contiene
siempre la misma cantidad de partículas = 6,023 × 1023 partículas (átomos o
moléculas) = número de Avogadro
Tema 0: La Química
Tema 1 – Introducción
Química General I 46

47. H · Ψ = E · Ψ
Ecuación de ondas de Schrödinger
Physical Review Letters 2013, 110, 213001
Función de onda electrónica teórica:
Estructura atómica
Microscopía de fotoionización (microscopio cuántico)
Átomo de hidrógeno
Tema 0: La Química
(solución analítica solo para el átomo de hidrógeno y otras especies monoelectrónicas)
Tema 1 – Introducción
Química General I 47